表面活性剂及其复配体系对盾叶薯蓣中薯蓣皂苷提取率影响的研究

李 祥， 兀 浩， 文 星， 李 进， 房 媛， 史云东

(1．陕西科技大学化学与化工学院，陕西西安710021;2．云南民族大学民族药资源化学国家民族事务委员会-教育部重点实验室，云南昆明650031;3．玉溪师范学院，广西玉溪530400)

盾叶薯蓣Dioscorea zingiberensis C.H.Wright俗称黄姜，是薯蓣科薯蓣属Dioscrea多年生草本植物，其根茎皆可入药。薯蓣皂苷 (dioscin)是盾叶薯蓣根茎中的主要活性成分，有止咳、祛痰、脱敏、消炎作用。薯蓣皂苷的水解产物薯蓣皂苷元 (diosgenin)，它是合成甾体激素以及避孕药的基础原料［1-2］。

目前全世界的薯蓣皂苷元用量极大，每年大约需求6 000 t，其中，国内生产需求约3 000 t［3］。薯蓣皂苷元主要是由薯蓣科植物的根茎所含的薯蓣皂苷经过酸水解来获得。目前国内工业生产大多数采用直接水解法。此方法是在水解过程中以强酸 (盐酸、硫酸)进行水解。不仅耗酸量大，环境污染严重。同时，存在于盾叶薯蓣根茎中的纤维素、淀粉等副产物的结构被破坏而难以综合利用［4-5］。近几年来，分离酶解技术能较好的回收盾叶薯蓣根茎中的淀粉和纤维素，合理的利用资源，但缺点是生产周期长，产品纯度不高［5-6］。而葛发欢等研究利用超临界CO2薯蓣皂苷元的研究，能提高回收率，但存在前期成本较高的缺点［7］。Li Xiang等发现了超声波辅助乙醇提取盾叶薯蓣皂苷时，超声波不仅能降低提取时间同时还提高薯蓣皂苷的提取效率［8］。薯蓣皂苷不溶于水，可溶于甲醇，乙醇。Mishra SP等发现用异丙基苯磺酸钠溶液提取薯蓣皂苷元时可以得到纯度较高的产品［9］。韩刚等研究发现在乙醇溶剂中加入少量十二烷基硫酸钠能提高姜黄素的提取率［10］。但对于以表面活性剂水溶液作为萃取剂的研究较少。本实验以表面活性剂水溶液做为萃取剂，对在超声条件下表面活性剂及其复配体系与薯蓣皂苷提取率的影响进行了探讨。期望通过先提取后水解的方法对解决生产过程中的污染问题有一定帮助。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂 盾叶薯蓣根块 (三年生长)，陕西省商洛采购;无水乙醇 (分析纯)，天津市致远化学试剂有限公司;薯蓣皂苷对照品 (批号:090315)，上海融禾医药科技发展有限公司;十二烷基硫酸钠 (分析纯)，天津市河北区海晶精细化工厂;十六烷基三甲基溴化铵 (分析纯)，十二烷基苯磺酸钠 (分析纯)，中国医药集团上海化学试剂;咪唑里 (化学纯)，平平加 (化学纯)，国药集团化学试剂有限公司;曲拉通100(分析纯)，吐温80(分析纯)，西安化玻站化学厂。

1.2 仪器与设备 SC-Ⅲ型多频声化学发生器，成都市九洲机电工程研究所;7230G型可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司;BS2202S型电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司;旋转蒸发器，上海申生科技有限公司。

1.3 皂苷的提取方法

1.3.1 盾叶薯蓣根茎的处理 洗净的盾叶薯蓣根茎，经晒干、粉碎、过80目筛。

1.3.2 提取方法 将处理完的盾叶薯蓣根茎 (80目)，准确称取10 g，放入烧杯中，以1∶10加入配制好的表面活性剂溶液，在25 kHz的超声条件下处理40 min，然后用真空抽滤，得到滤液为提取液。

1.3.3 标准曲线的制备［11-12］取4.7 mg薯蓣皂苷对照品，精确称定，加入无水乙醇溶于10 mL量瓶中定容，摇匀，静置备用。最大吸收波长的测定，用移液管准确移取0.25 mL皂苷标准溶液于具塞试管中，挥干溶剂。再加入5 mL HClO4，在70℃水浴条件下反应20 min，再放入冰水中冷却5 min后，在波长为300～550 nm的条件下与可见分光光度计下测定吸光度值，从而确定最大吸收波长，最大值为408 nm。分别准确移取标准品溶液0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL于408 nm测定吸光度，以HClO4，作参比。薯蓣皂苷质量浓度在0.009 4～0.057 6 mg/mL范围内与吸光度值A呈良好线性关系，回归方程:A=15.575C－0.011 6，R2=0.998 2。

样品提取率测定 将真空抽滤得到的盾叶薯蓣提取液记录体积，取1 mL样品液，用无水乙醇稀释到10 mL，从中取0.5 mL，使质量浓度范围在标准曲线范围内，按上述条件进行吸光度的测定，根据标准曲线求出盾叶薯蓣中皂苷的量，并计算提取率。皂苷提取率 (%)=(提取液中皂苷量/盾叶薯蓣中总皂苷量)×100%

1.3.4 药材中总皂苷的测定 称取80目的盾叶薯蓣粉末10 g，加入到适量75%乙醇溶液中，进行索氏提取6 h，提取3次合并提取液，并进行检测，检测结果显示盾叶薯蓣中薯蓣皂苷质量分数为11%。

1.3.5 表面活性剂的选择 取以下几种表面活性剂 (十六烷基三甲基溴化铵、咪唑啉、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、平平加、吐温80、TX-100)配制成其相应3倍临界胶束浓度 (CMC)的溶液，然后把粉碎的盾叶薯蓣根茎粉末准确称取10 g，以料液比1∶10加入到100 mL的表面活性剂水溶液中，在超声频率为25 kHz条件下进行处理40 min，再对超声后的样品进行真空抽滤，去掉滤渣，得到滤液，对滤液按照1.3.3项的方法进行显色检测。并用同等方法，以水和75%的乙醇做空白试验。

1.3.6 表面活性剂用量的选择 选择出萃取液中薯蓣皂苷量最大的表面活性剂溶液，在其他条件不变的情况下，分别选取表面活性剂的浓度为1、2、3、4、5倍CMC的溶液，进行皂苷提取以及测定皂苷提取率，确定表面活性剂的最佳用量。

1.3.7 表面活性剂的复配

(1)阴-阳离子表面活性剂的复配 以浓度为3倍CMC的十二烷基硫酸钠 (SDS)溶液分别与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)以及咪唑啉进行不同浓度的复配，复配后的表面活性剂水溶液做为溶剂，提取薯蓣皂苷。按照1.3.5项的试验方法，测定薯蓣皂苷提取率。

(2)阴-非离子表面活性剂的复配 以浓度为3倍CMC的SDS分别与非离子表面活性剂TX-100以及平平加进行不同浓度的复配，复配后的表面活性剂水溶液做为溶剂，提取盾叶薯蓣。按照1.3.5项的试验方法，测定薯蓣皂苷提取率。

1.3.8 对金属阳离子的考察 以浓度为3倍CMC的SDS溶液为基础，通过加入一定量的Na+，Mg+，来确定金属离子对于表面活性剂在薯蓣皂苷提取中的影响。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂的选择 表面活性剂用于中药材活性成分提取时，一方面表面活性剂所特有的双亲分子结构能降溶质与溶剂的表面张力，利于溶剂分子进入。另一方面当表面活性剂浓度大于其CMC时，表面活性剂分子会在水溶液中形成胶束团，能把中药材活性成分包裹进去，利于提取。由于中药材活性成分的结构不同，表面活性剂的增溶模式各不同。对于本研究，结果如表1显示:当盾叶薯蓣根块(80目)以1∶10加入不同的表面活性剂水溶液，在25 kHz条件下超声40 min，提取盾叶薯蓣中的薯蓣皂苷时，十二烷基硫酸钠的提取效果最佳。提取率达66.11%。

2.2 表面活性剂用量的影响 在固定超声各条件下，用不同浓度的十二烷基硫酸钠水溶液进行皂苷提取时，实验结果如图1所示:当表面活性剂浓度大于CMC时，表面活性剂在水中形成临界胶束团将薯蓣皂苷包裹在内，有利于皂苷的提取，随浓度增加其临界胶束团数量增加，从而使薯蓣皂苷提取率急剧增大，当浓度达到3倍CMC浓度时 (即2.58×10－2mol/L)，皂苷提取率增加幅度减小，随后由于根茎细胞内外皂苷浓度达到一定的平衡，传质推动力不足，皂苷提取率基本不再增加，故本研究选取3倍的CMC浓度作为最佳浓度。

表1 不同表面活性剂提取皂苷的结果 (n=3)

图1 表面活性剂浓度对皂苷提取率的影响

2.3 提取结果 在超声条件下，以3倍CMC浓度的SDS为溶剂提取盾叶薯蓣皂苷，结果见表2。

表2 3倍CMC浓度的SDS提取皂苷结果

2.4 阴-阳离子表面活性剂复配体系对薯蓣皂苷提取率的影响 表面活性剂的复配指两种或两种以上的表面活性剂按照不同比例进行混合，以获得比单一表面活性剂更佳的表面特性［13］。对于阴阳离子表面活性剂复配来讲，当其浓度比例1∶1时，由于阴阳离子之间静电作用，会得到比单一表面活性剂溶液中更多数量的胶束团。本实验分别选取3倍CMC的不同阴阳离子表面活性剂SDS以及十六烷基三甲基溴化铵和咪唑啉，按照一定体积比进行混合，然后测定其作为溶剂对薯蓣皂苷提取率的影响。从图2中可以看出当SDS与十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB)以及咪唑啉复配溶液作为溶剂对薯蓣皂苷进行提取时，其都呈现出萃取液中薯蓣皂苷提取率先增加后减少的趋势，当十六烷基三甲基溴化铵与SDS体积比为1∶2时，薯蓣皂苷提取率达到最大，一方面它们由于各自分子中的阴阳离子头之间的静电作用，会使溶液中胶团时间斥力减小，溶液中的混合胶束多于单一的表面活性剂。另一方面复配体系中阴离子表面活性剂SDS对薯蓣皂苷量影响大于两种阳离子，所以随着SDS体积不断增加，其浓度也不断增加，两方面因素的综合结果导致，薯蓣皂苷萃取率最大时，阴阳表面活性剂浓度比不是1∶1，而是在SDS存在条件下的非等浓度配比体系。随着SDS体积的进一步增加，溶液中阳离子表面活性剂浓度降低，胶束之间斥力增加，胶束团数量减少，将导致薯蓣皂苷萃取率降低。SDS与咪唑林之间的复配对薯蓣皂苷萃取率的影响原理相似，由于其3倍CMC时浓度不同，所以体积比不同为1∶4。

图2 阴-阳离子表面活性剂对皂苷提取率的影响

2.5 阴-非离子表面活性剂复配体系对薯蓣皂苷提取率的影响 将不同浓度的阴非离子表面活性剂 (3倍CMC)，按照不同体积比进行复配，结果如图3所示。其萃取率会随阴离子表面活性剂SDS的体积比增加而增加，它们都在SDS加入一定比列的时候达到最高。

阴-非离子表面活性剂的复配在对多环芳烃的增溶作用中有过报道，但是对于在皂苷提取中其影响因素较多，首先薯蓣皂苷是一种甾体苷元与鼠李糖通过糖苷键结合的物质，它在表面活性剂溶液中的是以栏栅型的增溶模式存在。其亲水基团鼠李糖部分存在胶束团表面［14］。在非离子与阴离子表面活性剂复配后，开始在非离子表面活性剂胶团大量存在的条件下，一定量的SDS的加入，必然会导致胶束团表面极性增强，有利于薯蓣皂苷中的亲水基与胶束团的结合几率，从而增加了萃取液中的薯蓣皂苷浓度。由于非离子表面活性剂能通过氢键与H2O以及H3O+结合，使得胶束团表面带正电，使得阴-非离子表面活性剂的复配有阴阳离子表面活性剂的类似原理。随着SDS的增加，非离子表面活性剂浓度骤降，溶液中的胶束团数量必然会减少，溶液中的胶束团数目的减少将会导致薯蓣皂苷萃取率降低。

图3 阴-非离子表面活性剂对皂苷提取率的影响

2.6 无机盐加量的影响 将黄姜粉末以1∶10加入到3倍CMC的十二烷基硫酸钠溶液中，在25 kHz条件下加入NaCl、MgCl2使其浓度分别为 0.10、0.15、0.20、0.25、0.3 mol/L下超声40 min，结果如图4。随着无机盐的加入，Na+、Mg+离子浓度增加，不仅提高了表面活性剂的表面活性，而且降低了表面活性剂的临界胶束浓度，提高表面活性剂的有效增溶能力，从而增加的薯蓣皂苷的提取率。当金属离子浓度继续增加时，由于加无机盐会使液体栅栏分子间的斥力减少，于是分子排列得更加紧密，从而减少了极性化合物可被增溶的位置，因此，极性有机物被增溶的能力减小，可能不利于表面活性剂对皂苷的包裹，而会使皂苷提取率减少。由于Mg2+所带电荷多与Na+以及其离子半径较小，所以它对薯蓣皂苷提取率的影响更大。

图4 Na+、M g+浓度对皂苷提取率的影响

2.7 Mg+加入到3倍CMC的SDS中提取薯蓣皂苷 在超声频率25 kHz超声时间40 min料液比1∶10的SDS(3倍CMC)中加入0.2 mol/L的Mg+其实验结果显示，萃取率为71.25%。结果见表3。

表3 0.2 mol/L M g+加入到SDS(3倍CMC)中提取薯蓣皂苷的结果

3 结论

3.1 本研究以表面活性剂水溶液为提取溶剂，代替传统工业中的有机溶剂提取，在中药材活性成分提取中，有一定的使用价值。

3.2 本实验在固定超声频率25 kHz，超声时间40 min，料液比1∶10条件下使用十二烷基硫酸钠水溶液作为溶剂，其浓度为2.58×10－2mol/L时萃取液中皂苷提取量为7.27 %，大于同等条件下使用75%的乙醇对薯蓣皂苷的提取量。

3.3 在表面活性剂溶液中加入不同其他表面活性剂对薯蓣皂苷进行提取，其皂苷提取率为阴-阳离子表面活性剂复配体系＞阴-非离子表面活性剂复配体系＞单一表面活性剂。

3.4 在表面活性剂中加入少量无机盐就能大幅提高薯蓣皂苷的萃取量，在Mg2+浓度0.2 mol/L时增加的提取效率最大。

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